Підручник з Біології і екології. 10 клас. Шаламов - Нова програма

§ 46. Регенерація і трансплантація

Регенерація широко розповсюджена у тваринному світі

Регенерація — здатність відновлювати пошкоджені органи й тканини — поширене явище у тваринному світі. Відновлення шкіри на місці рани в людини також є різновидом регенерації. Але деякі представники тваринного світу можуть вразити нашу уяву можливостями своєї регенерації. Так, багато вільноживних плоских червів — планарій, здатні повністю відновлювати своє тіло навіть із 1/200 його частини (цей приклад було розглянуто в §10 і по суті є різновидом вегетативного розмноження). Дощовий черв може заново відростити задній кінець тіла, а річковий рак — відірвану ногу.

Рис. 46.1. Регенерація в тваринному світі

А і Б. Аксолотль відомий не лише своєю здатністю розмножуватися на личинковій стадії, але й вражаючою регенерацією: він може за місяць повністю відрощувати втрачені кінцівки. В і Г. Африканська голчаста миша здатна відростити шматки шкіри разом із шерстю, при цьому на місці рани не залишається навіть шрамів і рубців!

Але не тільки безхребетні організми здатні до регенерації втрачених органів. Аксолотль, який належить до класу Земноводні, може повністю відновити втрачену кінцівку (рис. 46.1, А, Б). Тритон — навіть втрачене око1. Є вражаючі приклади регенерації й серед ссавців: африканська голчаста миша здатна відновлювати відірвані шматки шкіри (рис. 46.1, В, Г). Якщо хижак хапає мишу, вона може скинути шматок шкіри і втекти від ворога. Через декілька днів ця ділянка шкіри відновлюється разом із шерстю, не залишаючи рубців і шрамів. Вивчення механізмів регенерації у тварин дозволяє глибше зрозуміти ці процеси й розробити методи відновлення втрачених тканин і органів людини.

Стовбурові клітини забезпечують регенерацію тканин і органів людини

Вивчаючи регенарацію у тварин, можна виявити певну закономірність: чим складніше влаштований організм, тим меншу частину тіла він може регенерувати. На жаль, це правило стосується й людини: ми не можемо похвалитися такими чудовими здібностями відновлювати органи й тканини, як планарія або аксолотль. Але певну здатність до регенерації ми все ж маємо. Відновлення шкіри на місці порізу й зростання зламаних кісток є характерними прикладами регенерації в людини. Деякі тканини відновлюються легше, інші — складніше. Так, шкіра, кістки й судини здатні досить добре відновлюватися. З іншого боку, хрящі і зв’язки не можуть відновлюватися, тому у випадку їхнього пошкодження їх варто заміняти на протези або зшивати. З людських органів найбільшу здатність до регенерації має печінка. Навіть після видалення 75 % органу, печінка здатна відновити свій нормальний розмір.

1 Щоправда, тільки якщо сітківка не була повністю втрачена.

Відновлення тканин і органів після пошкодження можливе завдяки наявності в організмах невеликої кількості клітин, здатних ділитися і відновлювати клітинну масу. Такі клітини наявні в епідермісі шкіри, у сполучній тканині, в окісті, між м’язовими волокнами. Але особливий інтерес становлять малодиференційовані (неспеціалізовані) клітини, здатні безперервно утворювати нові — стовбурові. Класичним прикладом є стовбурові клітини червоного кісткового мозку, які породжують різні клітини крові (рис. 46.2). Такі стовбурові клітини називають плюріпотентними1 —здатними породжувати клітини різних типів, на відміну від уніпотентних2 — здатних породжувати лише один тип клітин.

Плюріпотентні стовбурові клітини цікаві тим, що їх потенційно можна використовувати для вирощування органів і тканин. На жаль, у дорослому організмі людини наявна лише незначна кількість клітин, здатних до такої активності, а різноманіття типів клітин, які вони можуть генерувати, дуже обмежене. Тому вчені зацікавлені в джерелі стовбурових клітин із найбільшим потенціалом диференціації. На сьогодні такими клітинами є ембріональні стовбурові клітини, які отримують із клітин бластоцисти. Саме з них формуються всі органи й тканини людського організму в процесі ембріогенезу.

1 Від лат. pluralis — чисельний, і potentia — можливість.

2 Від лат. units — один, і potentia.

Рис. 46.2. Плюріпотентні стовбурові клітини червоного кісткового мозку здатні породжувати безліч клітинних елементів крові

Вирощуючи їх поза організмом, учені можуть отримати деякі органи й тканини, щоб потім використати для пересадки в організм людини (рис. 46.3).

Альтернативою ембріональним стовбуровим клітинам можуть слугувати індуковані плюріпотентні стовбурові клітини. їх отримують із клітин тіла дорослої людини шляхом генетичного перепрограмування, що повертає їм здатність до поділу й диференціації в різні типи клітин. Після перепрограмування ці стовбурові клітини також можна використовувати для вирощування тканин і органів.

Трансплантація дозволяє замінити орган

Оскільки сам по собі людський організм не має високих регенеративних здібностей, утрачені органи й тканини доводиться штучно пересаджувати — здійснювати трансплантацію. Історично першою і найбільш розповсюдженою трансплантацією є переливання крові. На сьогодні розроблені й широко використовують методики пересадки серця, легень, печінки, шкіри, нирок і кісткового мозку. До речі, першу в світі успішну пересадку нирки людини в 1933 році здійснив український хірург Юрій Вороний.

Рис. 46.3. Ембріональні стовбурові клітини можуть породити абсолютно всі тканини і органи дорослого організму людини, що робить їх перспективним об’єктом регенеративної медицини

Пересадка органів від донора часто може врятувати життя пацієнта. При цьому донор здатен жертвувати як частину свого органу (фрагмент шкіри або кісткового мозку), так і цілий орган (нирку) (рис. 46.4). Пересадка серця, легень і печінки можлива лише у випадку смерті донора. Розповсюдженою практикою в розвинених країнах є заповідання своїх органів на медичні потреби, адже це може врятувати життя людини. Інший поширений варіант, але вже значно менш благородний — продаж нирок заради великого заробітку. Подібна тенденція наразі спостерігається в економічно бідних країнах.

Рис. 46.4. Ізольоване серце людини в процесі трансплантації

Однак після видалення нирки здоров’я людини погіршується, і для нормального життя їй необхідно здійснювати терапевтичні процедури і вживати дорогі ліки. Тому гроші, що витрачаються на лікування донора, можуть значно перевищувати кошти, отримані з продажу нирки.

Однією з перепон під час трансплантації є доступність матеріалу: донорів набагато менше, ніж тих, хто потребує пересадки. Але інше, дуже суттєве обмеження — це тканинна несумісність. Імунна система реципієнта розпізнає пересаджений йому орган як чужорідне тіло, що спричиняє імунну атаку на нього і відторгнення трансплантату. Цей феномен пояснюється тим, що клітини кожної людини несуть на своїй поверхні унікальний набір молекул, які забезпечують розпізнавання таких клітин імунної системи як «своїх». Чужорідні клітини трансплантату відрізняються набором цих молекул, що й викликає імунну реакцію організму. На сьогодні перед трансплантацією проводиться генетичний аналіз донора й реципієнта з метою встановлення сумісності їхніх тканин. Максимальний ступінь сумісності можливий лише для однояйцевих близнят, але якщо відмінності невеликі (як правило, таке спостерігається в родичів), то трансплантація можлива без побоювання відторгнення. В іншому випадку реципієнту доведеться вживати лікувальні препарати, що штучно знижують активність імунної системи, — імунодепресанти.

Штучне вирощування тканин і органів дозволяє уникнути багатьох проблем трансплантації

Рішенням проблеми тканинної несумісності є вирощування органів із ембріональних стовбурових клітин, у яких відсутній набір молекул, що відповідають за тканинну сумісність. Інший варіант — вирощування з індукованих плюрипотентних стовбурових клітин, які беруть у пацієнта чи пацієнтки, і які, відповідно, мають ідентичний набір цих молекул. На сьогодні вже використовують технології вирощування органів поза організмом із метою їхньої наступної трансплантації. Наприклад, вирощують шкіру для пересадки після опіків.

Для створення складніших за структурою органів використовують 3D-біопринтинг (рис. 46.5, А). Технологія біопринтингу полягає у створенні об’ємних моделей органів за допомогою 3D-принтера, для чого використовують спеціально вирощені клітини. При цьому клітини зберігають свою життєздатність і можуть функціонувати у складі цілісного органу. Подивитися, як відбувається 3D-друк органів, ви можете за посиланням.

Першими структурами, які вдалося «надрукувати» таким чином, були шкіра, хрящ і кровоносні судини. Зараз учені вже можуть друкувати людське вухо, жовчний міхур та інші органи для трансплантації пацієнтам. Наступним кроком планується надрукувати функціональне серце. Можливо, у майбутньому друк органів із використанням стовбурових клітин пацієнта повністю вирішить проблеми трансплантації завдяки доступності стовбурових клітин та їхній тканинній сумісності. Але поки що, на жаль, процедура залишається дуже дорогою.

Рис. 46.4. 3D-біопринтинг і децелюризація

А. Вухо людини, надруковане на 3D-біопринтері. Б. Міжклітинний матрикс донорського серця людини, отриманий після видалення з нього всіх клітин (децелюризації). Після заселення цього матриксу стовбуровими клітинами пацієнта тканини серця відновляться і орган буде готовий до трансплантації.

Трансплантація серця — одна з найбільш гострих проблем, що існує в медицині. Крім 3D-біопринтингу є й інший підхід до її вирішення — децелюризація донорського серця з наступним його заселенням стовбуровими клітинами пацієнта. Під час цієї процедури всі клітини донора видаляються з серця, після чого від нього залишається тільки міжклітинний каркас (рис. 46.5, Б). Потім цей каркас заселяють стовбуровими клітинами пацієнта. При цьому вибір донора не так важливий: через відсутність його клітин у трансплантаті імунний конфлікт із пацієнтом розвиватися не буде. Таку операцію вже успішно проводять на м’язах, а нещодавно вперше зробили з людським серцем. Щоправда, воно працювало поза тілом пацієнта, трансплантацію не здійснили. Але отримання серця, що працює, таким шляхом — це вже величезний прорив!

Життєві запитання — обійти не варто!

Елементарно про життя

• 1. Ґрунтуючись на залежності масштабів регенерації від складності будови організму, оберіть тварину, яка має найбільшу здатність до регенерації.

А аксолотль

Б окунь

Д дощовий черв’як

В жук-гнойовик

Г восьминіг

• 2. Плюрипотентні стовбурові клітини шкіри здатні

А утворюватися з плюрипотентних стовбурових клітин

Б самостійно утворюватися зі звичайних клітин епідермісу шкіри

В утворювати всі типи клітин організму

Г утворювати всі типи клітин крові

Д утворювати лише один тип клітин шкіри — клітини епідермісу

• 3. Причиною відторгнення трансплантату є

А відмінність внутрішньої будови клітин реципієнта й донора

Б імунна реакція донора на клітини реципієнта

В розпізнавання імунною системою реципієнта клітин донора як чужорідних

Г однаковий набір поверхневих білків клітин реципієнта й донора

Д подібність принципів функціонування імунної системи реципієнта й донора

• 4. Для 3D-біопринтингу використовують

А надруковану 3D-модель органу

Б нормальний донорський орган

В децелюризований донорський орган

Г децелюризований орган пацієнта

Д плоску культуру клітин, яку «натягують» на 3D-модель

• 5. Увідпобідніть тип стовбурової клітини з її властивістю й походженням.

1. уніпотентна стовбурова клітина

2. ембріональна стовбурова клітина

3. плюрипотентна стовбурова клітина крові

4. індукована плюрипотентна стовбурова клітина

А здатна утворювати лише один тип клітин; отримана зі шкіри

Б здатна утворювати багато типів клітин; отримана із зародка

В здатна утворювати багато типів клітин; отримана з червоного кісткового мозку

Г здатна утворювати багато типів клітин; отримана з нервової системи

Д здатна утворювати багато типів клітин; отримана генетичною модифікацією клітин шкіри

У житті все просто

• 6. Схарактеризуйте причини зменшення масштабів репарації зі зростанням складності будови тваринного організму.

• 7. Які проблеми штучного вирощування серця зі стовбурових клітин постають перед вченими?

У житті все не так просто

• 8. Обґрунтуйте теоретичну можливість перепрограмування спеціалізованої клітини тіла людини в індуковану плюрипотентну стовбурову клітину.

• 9. Стовбурові клітини є потенційно безсмертними: ділячись, вони утворюють клітини, що спеціалізуватимуться у такі ж стовбурові клітини. Які особливості їхнього функціонування зумовлюють таку «безсмертність»?